Development of a four-bar linkage-based mobile robot mechanism capable of climbing/descending various stairs

Abstract

Development of a four-bar linkage-based mobile robot mechanism capable of climbing/descending various stairs SungJun Park Dept. of Mechanical Engineering The Graduate School Hanyang University This paper presents WAVES, a four-bar linkage-based robot that can climb stairs of various sizes by applying so-called ‘soft feet’ made of soft materials. The existing four-bar linkage-based stair climbing robot had the advantage of high stability and a simple structure but could climb only stairs of limited size. We solved the stair size constraint problem using highly adaptable soft feet. The soft feet were fabricated into a compliant mesh shape and could be freely deformed according to the shape of the stairs. To determine the stable compliant mesh pattern, three representative types of samples were compared through compression simulations on Ansys. According to the simulation results, we decided to make soft feet in the form of arc patterns. To determine the appropriate strength of the soft feet, we calculated the maximum compressive force each section of the soft feet must withstand. Stair climbing was tested on seven different sizes of stairs to confirm the ability of WAVES to adapt to the stairs. In conclusion, before applying soft feet to the robot, the diagonal length of the stairs it could climb was 328.7 mm–350 mm, but after applying soft materials, it can climb all stairs under 400 mm.|본 논문에서는 부드러운 소재를 이용해 만든 ’소프트 풋’을 통해 다양한 크기의 계단을 오를 수 있게 된 4절 링크 기반 로봇 ’WAVES’를 제시한다. 기존의 4절 링크 기반 계단 등반 로봇은 안정성이 높고 구조가 단순하다는 장점이 있지만, 제한된 크기의 계단만을 오를 수 있었다. 우리는 적응력이 뛰어난 소프트 풋을 이용해 계단 크기의 제약 문제를 해결했다. 소프트 풋은 컴플라이언트 메시 형태로 제작되어 계단 모양에 따라 자유롭게 변형이 가능하다. 우리는 안정적인 컴플라이언트 메시 패턴을 결정하기 위해 세 가지 대표 유형의 샘플을 Ansys에서 압축 시뮬레이션을 통해 비교했다. 시뮬레이션 결과에 따라 호 패턴 형태의 소프트 풋을 제작하기로 결정했다. 소프트 풋의 적절한 강도를 결정하기 위해 우리는 소프트 풋의 각 부분이 견뎌야 하는 최대 압축력을 계산했다. 7가지 크기의 계단에서 계단 오르기 테스트를 실시하여 WAVES가 계단에 적응하는 능력을 확인했다. 그 결과, 로봇에 소프트 풋을 적용하기 전에는 올라갈 수 있는 계단의 대각선 길이가 328.7 350mm였으나 소프트 풋을 적용한 후에는 400mm 미만의 모든 계단을 오를 수 있었다.